Procesos de Oxidación Biológica en el Tratamiento de Aguas

La oxidación biológica es el mecanismo mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual.

Materia orgánica + Microorganismos + Nutrientes + O₂ >>> Productos Finales + Nuevos microorganismos + Energía

Objetivos de los Sistemas Aeróbicos

• Transformación de la materia orgánica.
• Coagulación y eliminación de sólidos coloidales no sedimentables.

Procesos Biológicos Clave en la Depuración de Aguas

Lagunas Aireadas y Lodos Activados

El oxígeno requerido por los microorganismos para la degradación de la materia orgánica se provee artificialmente a través de aireadores mecánicos superficiales.

Proceso de Fangos Activados

Sistema de tratamiento de las aguas residuales en el que se mantiene un cultivo biológico formado por diversos tipos de microorganismos y el agua residual a tratar.

Filtro Percolador

Es una cama de grava o un medio plástico sobre el cual se rocían las aguas negras pretratadas. Los microorganismos se adhieren al medio del lecho y forman una capa biológica. Las aguas negras se percolan, y los microorganismos digieren y eliminan los contaminantes del agua.

Unidades de Contactos Biológicos Rotatorios (Biodiscos)

Su funcionamiento se basa en la rotación de un disco semisumergido en el agua a tratar, lo que provoca la transferencia de oxígeno a la flora microbiana aeróbica. Esta, a través de procesos bioquímicos, degrada y elimina la materia orgánica, consiguiendo la depuración del agua.

Lagunas Facultativas Aireadas o Fotosintéticas

Son aquellas que poseen una zona aerobia y una zona anaerobia, situadas respectivamente en superficie y fondo. Podemos encontrar microorganismos anaerobios estrictos en el fango del fondo hasta aerobios estrictos en la superficie.

Lagunas Anaeróbicas

Las lagunas anaerobias se utilizan normalmente como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales con alto contenido en materia orgánica biodegradable.

Su objetivo es la reducción del contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual, y la obtención de un efluente de alta calidad.

Reactores Anaeróbicos de Flujo Ascendente (PAMLA, UASB, RAFA)

Se caracterizan por realizar en una sola unidad las operaciones de decantación primaria, reactor biológico y digestión anaerobia del lodo.

Tratamiento de Aguas Residuales: Métodos y Tecnologías

El Lodo Activado

Es un tratamiento por el cual el agua residual y los microorganismos son mezclados y aireados en un tanque denominado reactor.

En este proceso, los microorganismos se mezclan con la materia orgánica, que les sirve de sustrato alimenticio. La mezcla se efectúa por medios mecánicos superficiales o sopladores sumergidos, los cuales tienen doble función:

1. Producir mezcla completa.
2. Agregar oxígeno al medio para que el proceso se desarrolle.

Tratamiento de Lodos

• Espesado de Fangos: Reducción del volumen de fangos activados en proceso de declive. Homogeneización de los lodos procedentes de los decantadores. Ahorro de medios técnicos.
• Digestión Aerobia: Eliminación en presencia del aire de la parte fermentable (biomasa) de los lodos activados.
• Digestión Anaerobia: Proceso en ausencia de aire, por el cual la biomasa se descompone en metano y CO₂.
• Deshidratación de Fangos: Eliminación del mayor porcentaje posible del agua contenida en los lodos.

Operaciones Unitarias para la Deshidratación de Fangos

El proceso se puede dar por alguna de las siguientes operaciones unitarias:

• Lechos de secado
• Lagunas de fangos
• Filtración al vacío
• Centrifugación
• Filtro banda
• Filtro prensa
• Secado: directo o indirecto

Humedales Artificiales

Son zonas construidas por el hombre en las que, de forma controlada, se reproducen mecanismos de eliminación de contaminantes presentes en aguas residuales, que se dan en los humedales naturales mediante procesos físicos, biológicos y químicos.

Mecanismos Involucrados

1. Eliminación de sólidos en suspensión mediante sedimentación, floculación y filtración.
2. Eliminación de patógenos mediante adsorción, filtración o depredación.

Biogás

Es un combustible que se genera con la degradación de la materia orgánica. No puede ser emitido a la atmósfera, ya que contiene un elevadísimo porcentaje de metano, que es un gas altamente inflamable y que también puede provocar asfixia.

Tratamiento de Agua Potable: Procesos y Unidades

Secuencia Habitual de Tratamiento

1. Preoxidación: Introducción en el agua de un agente químico oxidante, capaz de eliminar cualquier materia que pueda oxidarse, tanto orgánica como inorgánica. Se realiza una preoxidación y desinfección inicial con cloro, dióxido de cloro u ozono, o permanganato potásico.
2. Coagulación y Floculación: Mediante este proceso, se facilita la agrupación de las partículas responsables del color y la turbidez del agua.
3. Pruebas de Jarra: Procedimiento para determinar las condiciones óptimas de funcionamiento para el tratamiento de agua o aguas residuales. Permite realizar ajustes en el pH, las variaciones en la dosis de coagulante o polímero, alternando velocidades de mezclado, o la prueba de coagulante o diferentes tipos de polímeros, a pequeña escala con el fin de predecir el funcionamiento de una operación a gran escala de tratamiento.
4. Decantación: Con el agua casi en reposo y a través de la acción de la gravedad, se depositan en el fondo las partículas y agrupaciones formadas en el proceso anterior, formando un fango que se extrae posteriormente.
5. Filtración: Retención de las partículas que no pudieron ser extraídas en el proceso anterior haciendo pasar el agua por unos filtros. Puede ser sobre arena, o sobre lecho mixto (arena y antracita) y en determinados casos sobre lecho de carbón en grano.
6. Desinfección Final: Con la adición de reactivos, normalmente cloro y amoniaco para formar cloraminas, se consigue eliminar los microorganismos que hayan podido sobrevivir a los procesos anteriores y se garantiza la calidad del agua durante todo el recorrido por la red de distribución.

Unidades de una Planta de Tratamiento de Agua Potable (PTAP)

• Obra de Toma: Conjunto de estructuras que se construyen con el objeto de extraer el agua de forma controlada y poder utilizarla con el fin para el cual fue proyectado su aprovechamiento.
• Caja de Entrada: Recibe el agua.
• Mezcla Rápida: Donde se agregan al agua productos químicos. Los principales son los coagulantes (sulfato de alúmina) y alcalinizantes (cal).
• Floculadores: El proceso de floculación es precedido por la coagulación. Estos facilitan la retirada de las sustancias en suspensión y de las partículas coloidales.
• Decantadores: El agua llega velozmente a una sección muy amplia donde reposa, permitiendo que se depositen las impurezas en el fondo.
• Filtros: El agua decantada llega hasta un filtro donde pasa a través de sucesivas capas de arena de distinto grosor. Sale prácticamente potable.
• Cámara de Desinfección: Para asegurar aún más la potabilidad del agua, se le agrega cloro que elimina el exceso de bacterias y, lo que es muy importante, su desarrollo en el recorrido hasta las viviendas.

Coagulación

Es la desestabilización de las partículas coloidales causada por la adición de un reactivo químico llamado coagulante el cual, neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí.

Floculación

Es la aglomeración de partículas desestabilizadas en microflóculos y después en flóculos más grandes que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados sedimentadores. Existen floculadores mecánicos e hidráulicos.

Desinfección del Agua: Métodos y Agentes

Grados de Acción de la Cloración del Agua

La cloración del agua puede regularse para obtener varios grados de acción:

1. Bacteriostática: Inhibe el crecimiento, sin causar la muerte del organismo, como resultado de productos de reacción del cloro, las cloraminas.
2. Desinfectante: Destruye los microorganismos que causan infección o enfermedad.
3. Esterilizante: Cuando, infrecuentemente, el cloro se aplica en tales cantidades que destruye todos los microorganismos.

Definición de Desinfección

Se define como el proceso de destruir microorganismos patógenos mediante procesos físicos y químicos.

Tipos de Microorganismos Relevantes en el Agua

• Bacterias: Unicelulares y procariotas (sin núcleo), causantes de enfermedades como el cólera y la fiebre tifoidea. Las bacterias fueron descubiertas en 1680. Las bacterias patógenas ligadas al agua son clasificadas como enterobacterias.
• Virus: No están formados por células. Son llamados parásitos obligados. Sus enfermedades se denominan virosis (ej. poliomielitis, hepatitis infecciosa).
• Protozoos: Eucariotas y unicelulares (ej. tuberculosis, huevos de gusano).
• Hongos: Eucariotas y se reproducen por esporas. Pueden ser pluricelulares y unicelulares. Sus enfermedades son llamadas micosis.

La desinfección del agua se refiere a la inactivación de los microorganismos, especialmente los patógenos que son causantes de enfermedades y que pueden causar daños en los consumidores de agua.

Métodos de Desinfección

• Químicos: Cloro y sus derivados, bromo y sus derivados, peróxido de hidrógeno.
• Físicos: Radiación ultravioleta, calor, radiación gamma.

Agentes de Desinfección por Cloro

En la desinfección por cloro se emplean los siguientes agentes: dióxido de cloro (ClO₂), hipoclorito de sodio (NaClO), cloro gaseoso (Cl₂) e hipoclorito de calcio (Ca(ClO)₂).

Peróxido de Hidrógeno (H₂O₂)

Se utiliza como un agente efectivo de desinfección, debido a su fuerte efecto de oxidación, degradándose en H₂O (agua) y formando radicales libres de oxígeno, degradando complejos químicos orgánicos.

• Similar al agua.
• Altamente oxidante.
• Oxidación mayor que el cloro.

Factores que Afectan la Eficiencia de un Desinfectante Químico

• Temperatura
• Tiempo de contacto
• Concentración
• Tipo de bactericida
• Número de microorganismos
• pH

Ozono (Ozonificación)

• Reactivo.
• Destruye o inactiva las enzimas de microorganismos.
• No tiene efecto residual.

Radiación Ultravioleta (UV)

• Invención de la lámpara de Mercurio en 1901.
• Intensidad de radiación mínima: 10,000 watts-seg/cm².
• Vida útil de la lámpara: 6-12 meses.

Desinfección por Calor

• Antiguamente empleada.
• Causa la muerte de todo tipo de agentes microbianos.

Filtración del Agua: Principios y Tipos

Filtración del Agua

Es la acción de pasar un líquido, accidental o voluntariamente, a través de un filtro, o pasar un líquido a través de un sólido.

El objetivo básico de la filtración es separar las partículas y microorganismos objetables que no han quedado retenidos en los procesos de coagulación y sedimentación.

Formas de Filtración

1. Con baja carga superficial (filtros lentos).
2. Con alta carga superficial (filtros rápidos).
3. En medios porosos (pastas arcillosas, papel de filtro).
4. En medios granulares (arena, antracita, granate o combinados), con flujo ascendente, descendente y mixto (parte ascendente y parte descendente).

Filtros de Acción Lenta

El agua pasa por gravedad a través de la arena a baja velocidad. La separación de las materias sólidas se efectúa al pasar el agua por los poros de la capa filtrante, adhiriéndose las partículas sólidas a los granos de arena.

Filtros de Arena de Acción Rápida

El agua desciende por gravedad a través de la arena a alta velocidad. Se utilizan para efluentes de aguas residuales provenientes de un tratamiento secundario.

Operaciones de Filtración Continua

En el funcionamiento continuo, las fases de filtración y lavado ocurren simultáneamente. Cuando utilizamos estos filtros no existen los conceptos de turbidez límite del efluente ni la pérdida de carga máxima admisible en la circulación a través del lecho.

Operaciones de Filtración Semicontinuas

La filtración y el lavado son fases que se dan una a continuación de la otra. La fase de filtración, en la que se eliminan las partículas sólidas, se lleva a cabo haciendo circular el agua a través de un lecho granular, con o sin adición de reactivos químicos.

El final del ciclo de filtrado se alcanza cuando empieza a aumentar el contenido en sólidos en el efluente hasta alcanzar un nivel máximo aceptable.

Clasificación de los Sistemas de Filtración

1. Tipo de Funcionamiento

   Los filtros pueden clasificarse en continuos y semicontinuos. Los filtros semicontinuos se mantienen en funcionamiento hasta que se empiece a deteriorar la calidad del efluente o hasta que se produce una pérdida de carga excesiva en el filtro.

2. Tipos de Medios Filtrantes y Sentido del Flujo durante la Fase de Filtración

   Los principales tipos de configuración de los lechos se clasifican en función del número de capas de material filtrante, lo cual da lugar a los filtros de una única capa, los de doble capa y los filtros multicapa.

3. Presión Actuante en la Filtración

   Debido a que tanto la fuerza de la gravedad como la creada por una presión aplicada se pueden emplear para vencer la resistencia por fricción creada por el flujo que circula a través del lecho filtrante, los filtros pueden ser de gravedad o a presión.

   Filtros de Gravedad

   Tanto la fuerza de la gravedad como la creada por una presión aplicada se pueden emplear para vencer la resistencia por fricción creada por el flujo que circula por el lecho filtrante. Los filtros de gravedad se emplean en plantas de gran tamaño.

   Filtros a Presión

   Los filtros a presión funcionan igual que los de gravedad y se emplean en plantas pequeñas. La única diferencia entre ambos consiste en que, en los filtros a presión, la operación de filtrado se lleva a cabo en un depósito cerrado, bajo condiciones de presión conseguidas mediante bombeo. Los filtros a presión suelen funcionar con mayores pérdidas de carga máximas admisibles, lo cual conduce a ciclos de filtración más largos y menores necesidades de lavado.

4. Velocidad de Filtración

   Según la velocidad de filtración, los filtros pueden ser rápidos (120-360 m³/m² día) o lentos (7-14 m³/m² día), siendo estos últimos poco usados en la actualidad en el tratamiento terciario, utilizándose en tratamientos biológicos para depuración.

Características del Medio Filtrante

La característica del medio filtrante que más afecta al proceso de filtración es el tamaño del grano.

Características Físicas

• Granulometría: Se caracteriza por una curva representativa de los porcentajes en peso de los granos que pasan a través de las mallas de una sucesión de tamices normalizados.
• Diámetro Efectivo (DE): Corresponde al 10% en peso en un diagrama granulométrico acumulativo (Anexo III) y determina, en gran parte, la calidad del filtrado, juntamente con los dos factores siguientes.
• Coeficiente de Uniformidad: Relación de los tamaños correspondientes a los porcentajes 60 y 10.
• Forma de los Granos: Angulosos (material triturado) o redondos (arena de río o de mar). Se obtienen calidades de agua filtrada similares, con un material anguloso de Diámetro Efectivo menor que el de un material de granos redondos.

Purificación del Agua: Métodos Avanzados y Procesos Complementarios

Purificación del Agua

Es una serie de procesos a los cuales el agua se somete para eliminar organismos y residuos a fin de que el agua sea de mayor pureza y calidad consumible, y se pueda beber sin peligro.

Componentes de un Filtro Típico

Un filtro típico consiste en un tanque, los medios de filtro y un regulador para permitir la expulsión.

Pantallas (Filtración Inicial)

La filtración a través de las pantallas se hace generalmente al principio del proceso de la purificación del agua. La forma de las pantallas depende de las partículas que tienen que ser eliminadas.

Filtración con Arena

Es un método usado con frecuencia, muy robusto para quitar los sólidos suspendidos del agua. El medio de filtro consiste en una capa múltiple de arena con una variedad de tamaño y gravedad específica.

Filtración de Flujo Cruzado (Membrana)

La filtración de membrana con flujo cruzado quita las sales y materia orgánica disuelta, usando una membrana permeable que impregne solamente los contaminantes.

Microfiltración

La microfiltración es una técnica de separación con membrana en la cual las partículas muy finas u otras materias suspendidas, con acción en partículas de radio de 0,1 a 1,5 micras, se separan de un líquido. Es capaz de quitar los sólidos suspendidos, las bacterias u otras impurezas.

Ultrafiltración

La ultrafiltración es una técnica de separación con membrana en la cual las partículas muy finas u otras materias suspendidas, con acción en partículas de radio de 0,005 a 0,1 micras, se separan de un líquido. Es capaz de quitar las sales, las proteínas y otras impurezas dentro de su gama.

Nanofiltración

La nanofiltración es una técnica de separación con membrana en la cual las partículas muy finas u otras materias suspendidas, con un tamaño de partícula en la gama de aproximadamente 0,0001 a 0,005 micras, se separan de un líquido. Es capaz de quitar virus, pesticidas y herbicidas.

Ósmosis Inversa (OI)

Es conocida como ultrapurificación en la cual se hace pasar al agua a altas presiones a través de una membrana semipermeable que separa el agua más alta en sales y el agua baja en sales.

Adición Química en la Purificación del Agua

• Agentes Quelatos: Se agregan a menudo al agua para prevenir los efectos negativos de la dureza, causados por la deposición del calcio y del magnesio.
• Agentes Oxidantes: Se agregan al agua como biocida, o para neutralizar agentes de reducción.
• Agentes de Reducción: Se agregan para neutralizar agentes que oxidan, tales como ozono y cloro. También ayudan a prevenir la degradación de las membranas de purificación.

Clarificación

Proceso de múltiples pasos para quitar los sólidos suspendidos. Primero, se agregan los coagulantes. Los coagulantes reducen la carga de iones, de modo que las partículas se acumulan en formas más grandes llamadas flóculos.

Ablandamiento

Se procesa comúnmente con intercambio de ion. Los sistemas de intercambio de ion consisten en un tanque con bolas pequeñas de resina sintética, que son tratadas para absorber selectivamente ciertos cationes o aniones.

Desionización (Intercambio Iónico)

También llamada intercambio de iones, se utiliza para producir agua purificada bajo demanda haciéndola pasar a través de capas de resina. La resina con carga negativa (catiónica) elimina los iones positivos, mientras que la resina con carga positiva (aniónica) elimina los iones negativos.

Desinfección

La desinfección es uno de los pasos más importantes de la purificación del agua de ciudades y de comunidades. Responde al propósito de matar a los microorganismos indeseados presentes en el agua. Ejemplos: desinfección con ozono, desinfección con cloro y desinfección UV.

Electrodiálisis

Es una técnica que emplea membranas actuales y especiales eléctricas, que son semipermeables a los iones, basadas en su carga.

Purificación Biológica del Agua

La purificación biológica del agua se realiza para bajar la carga orgánica de compuestos orgánicos disueltos. Los microorganismos, principalmente bacterias, hacen la descomposición de estos compuestos.

Destilación

El método de purificación más antiguo. Es un método asequible, pero no puede utilizarse para un proceso bajo demanda. El agua debe destilarse y, a continuación, almacenarse para usarse después, con lo que puede volver a contaminarse si no se almacena correctamente.

Adsorción de Carbono Activado

Funciona como un imán para el cloro y los compuestos orgánicos.

Ozonización

Se inyecta ozono (un gas) al agua de la forma más directa posible en combinación con el aire. Al tener contacto con el agua, lleva a cabo la oxidación de los compuestos orgánicos e inorgánicos, destruyéndolos y evitando la formación de algas.

Procesos en una Planta de Tratamiento de Aguas Residuales

1. Agua residual bruta.
2. Tratamiento preliminar (rejillas).
3. Tratamiento primario (desarenador).
4. Tratamiento secundario (tratamiento biológico aerobio y anaerobio: laguna facultativa, filtro de grava).
5. Salida (cámara de salida de las lagunas e inyección).
6. Tratamiento terciario (tratamiento químico: cloración).
7. Efluente: (salida del agua tratada, descarga al arroyo).

Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Ciudad Satélite Duarte

• Ubicación: Municipio Pedro Brand, Distrito Municipal La Guáyiga, Ciudad Satélite Duarte.
• Tipo: Reactor anaeróbico de flujo ascendente (RAFA).
• Capacidad: 2,399.3 m³/día.
• Población: 12,000 habitantes.
• Caudal de diseño: 6 m³/seg.
• Tiempo de diseño: 20 años.
• Problemas que ha tenido: Exceso de lluvias y falta de mantenimiento.
• Eficiencia: Excelente; 90% de remoción de residuos sólidos.
• Tecnología de depuración: Lecho de secado y cloración.
• Unidades de tratamiento: Desarenador, tanque RAFA, lecho de secado, caseta de cloración y salida.

Reactor Anaeróbico de Flujo Ascendente (RAFA)

Es un proceso de tanque simple, donde las aguas residuales entran en el reactor por el fondo y fluyen hacia arriba, donde una capa de lodo suspendida filtra las aguas residuales, tratándolas al ir atravesándola. La función principal de este reactor es disminuir la concentración de sólidos suspendidos y de la materia orgánica medida como DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno).

Filtro Anaeróbico de Flujo Ascendente (FAFA)

Es de operación similar al RAFA. La diferencia básica es que el tanque es totalmente empacado, el lecho de contacto biológico es fijo (inmóvil). El material de empaque tiene alta porosidad. En el proceso FAFA se incorpora un tratamiento primario que elimine material suspendido del agua para evitar obstrucciones del filtro.

Sistema de la Planta de Tratamiento de Caballona (Histórico)

• Capacidad: Tenía una capacidad de tratar un caudal medio de 2,000 m³/día.
• Población de diseño: Población de 10,000 habitantes.
• Cuerpo receptor: Esta planta descargaba en el arroyo Manoguayabo, perteneciente al río Haina.
• Sectores beneficiados anteriormente: Caballona y Hato Nuevo.

Rehabilitación de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Caballona

• Cambios de rejilla y reparación de desarenador.
• Construcción de dos lagunas facultativas con filtro de roca.
• Construcción de caseta para operadores.
• Construcción de verja perimetral.
• Nueva Población a beneficiar: 13,000 habitantes.
• Nuevo cuerpo receptor: Arroyo San Francisco.
• Nuevos Sectores beneficiados: Caballona, Hato Nuevo y Centro Correccional de Menores.